中国工程物理研究院FEL-THz束线从头至尾模拟设计(英文)

中国工程物理研究院正在开展自由电子激光太赫兹源(FEL-THz)的研究。介绍了中物院FEL-THz束线的设计,通过PARMELA和TRANSPORT等程序优化了束线参数,并通过IMPACT-T和ELEGANT程序核对了模拟结果。优化结果表明,电子束在摇摆器入口处能量7～8MeV、平均电流5mA、横向归一化发射度小于10mm·mrad,满足设计要求。

回音壁模式光学微腔及其应用研究进展

近年来,高品质因子的回音壁模式(WGM)光学微腔发展迅速,成为光学和物理领域的热点研究。光学微腔是一种微型光学元件,由于其微小的尺寸和高品质因子,可以加强光与物质的相互作用并使光在其中长时间存留。WGM光学微腔是光学微腔的典型代表之一,具有体积小、灵敏度高和寿命长等优点,目前,基于WGM光学微腔的应用主要集中在各类传感、激光器和滤波器等领域。然而,当前对WGM光学微腔的研究还未实现大规模生产,仅处于实验室研究阶段,工业化生产还存在成本高、制作工艺困难等缺点。文章重点介绍了WGM光学微腔的研究进展,阐述了回音壁材料对Q值的影响,近几年WGM光学微腔在传感、激光器和滤波器领域的应用,并提出了在可能实现全光网络的未来WGM光学微腔存在的挑战及进一步研究方向。对于后续研究,文章认为首先需降低成本、缩短时间,提高制备工艺的精度和效率;其次,需要解决微腔与光学器件耦合的问题,提高耦合效率并提高抗干扰能力;最后,需要解决腔体对环境的敏感性问题,以确保微腔在制备滤波器等器件时具有良好的稳定性。

中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置总体设计

中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置是一台用于材料、光谱、生物、医学等领域前沿研究的多功能用户装置,在实验室现有的太赫兹自由电子激光装置(CTFEL)基础上,拟新增两套2×9-cell超导加速单元和两台波荡器,将电子能量提升至最大50 MeV,输出频率覆盖范围拓展至0.1~125 THz,最大宏脉冲功率大于100 W。同时,采用跑道型束线设计,拟建设一台小型能量回收型直线加速器实验研究平台。本文主要介绍了中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置的总体设计、工作模式以及用户实验站布局。

多级柱面炸药内爆磁通量压缩技术研究

柱面内爆磁通量压缩发生器是利用炸药内爆压缩其内部磁通量至轴线附近小体积内从而实现超高磁场,传统的单级装置因受到金属套筒内爆失稳等影响性能指标受限。开展了多级内爆磁压缩技术研究,突破多项关键技术,包括研制特殊结构的密绕螺线管、脉冲功率源及大电流放电开关等,具备在直径135 mm套筒空间内实现20 T以上初始磁场产生能力,并建立了动态磁光测量系统。利用磁流体力学编码SSS-MHD开展多级装置设计,计算显示,设计的多级装置能够将约42%的初始磁通量压缩至轴线附近直径7 mm的空间内。最终研制成功多级内爆磁压缩装置CJ-150,在亚立方厘米以上空间实现轴向峰值磁场强度906 T,数据不确定度5.35%。10余发动态考核实验显示,CJ-150装置工作稳定,能够满足物理实验需要。利用经实验验证的磁流体模型计算显示,CJ-150具备1000 T以上超强磁场产生能力,能够对大尺寸样品实现500 GPa以上的准等熵加载。

基于正交电磁场的等离子体电子密度控制

正交电磁场是一种极具应用前景的降低等离子体电子密度、消除再入通信黑障的控制方法。根据离子质量与动量的守恒原理,建立了正交电磁场控制的物理模型;通过与流体力学方程的比拟,应用隐式格式实现了物理模型的稳定求解。通过数值模拟研究了正交电磁场控制装置中外加电场强度、磁场强度等参数对等离子体电子密度控制效果的影响规律,发现:在电流及磁场作用下,洛伦兹力使得电子发生漂移,导致局部电子密度下降,出现电磁窗口;电压越高、磁场越强,控制效果越好;对于相同磁场,电压较低时,电子密度减小量与电压基本成线性关系,电压超过100 V后,两者关系的非线性逐渐增强。由此,本文制造了电子密度控制原理样机,并在等离子体实验平台中进行了实验,采用发射光谱法和微波干涉法测量诊断了等离子体的电子密度变化情况,在控制区内得到了局部低电子密度区,证实了洛伦兹力作用下等离子体的漂移以及对等离子体电子密度的控制作用。

窄脊型波导半导体激光器偏振与横模关系研究

基于有效折射率法建立了窄脊型波导数值计算模型,通过实验研究了InGaAs量子阱窄脊型波导半导体激光器偏振特性与横模之间的关系。根据理论计算,脊型波导中类TM模式在慢轴方向的有效折射率差更大,类TM模式的限制因子比类TE模式的限制因子更大、更容易出现慢轴高阶模式;而随着脊型波导的高度增加,快轴高阶模式被截断,类TE00模式的限制因子逐渐增加至与类TM00模式相近,慢轴高阶模式因其大的散射损耗被抑制,理论上可实现高偏振度、高光束质量激光输出。在实验方面,利用量子阱材料的增益偏振特性,通过脊型高度与宽度的设计,制备了高偏振度、基横模的窄脊型波导半导体激光器。

基于神经网络特征线提取的飞机位姿识别方法研究

为实现复杂情况下的飞机位姿识别,提出了基于神经网络特征线提取的位姿识别新方法。该方法利用3D模型进行图像渲染,通过添加背景形成数据集,为提高算法鲁棒性进行了数据集增强。特征线提取模型采用卷积神经网络提取目标深度特征,利用热力图获取飞机特征线。结合飞机特征线、飞机3D模型以及n线透视方法解算目标位姿。该方法建立的飞机特征线提取模型,在复杂背景下准确率约为91%。叠加了各类噪声后,准确率为84%。飞机位姿通过EPnL算法与非线性优化进行求解。在目标背景复杂的情况下,实验得到的平均预测角度误差约为0.57°,平均预测平移误差约为0.47%。图像叠加各类噪声后,得到的平均预测角度误差约为2.11°,平均预测平移误差约为0.93%。提出的飞机位姿识别方法在复杂背景、各类噪声影响下可以较精准地预测飞机位姿,应用场景更加广泛。

2.7~3.0μm波段高反镜反射率测量研究

中红外激光领域广泛使用高性能高反射光学元件,高反射率高精度测试技术是制备高性能反射光学元件的基础。针对2.7~3.0μm波段光学元件高反射率测量的实际需求,基于量子级联激光器建立了连续光腔衰荡反射率测试实验装置,通过优选2.7~3.0μm波段反射带内水汽吸收较弱的测试波长,分析空气中水汽吸收对衰荡时间和反射率测量的影响,并比较空气和氮气环境下反射率测量结果,实现了2.7~3.0μm波段高反镜反射率的准确测量,在反射率约99.95%时绝对测量精度优于2×10-5。实验结果显示,采用测试波长2.9μm并在测量时保证初始腔和测试腔腔长相同,无需使用氮气环境,直接在实验室空气环境可实现高反射率的精确测量。

基于强电磁辐照移除危险空间碎片的机理性实验研究

针对当前空间碎片数量急剧增长问题,探究基于强电磁辐照的主动清除手段的可行性,以多层隔热结构作为典型危险空间碎片模型,重点关注其电磁响应敏感的金属镀层部分,通过构建复杂多环境因素物理场,在S波段强电磁辐照和真空环境下进行了验证实验。实验结果表明,在10^(-3)Pa量级的真空环境下,强电磁脉冲与多层隔热结构金属镀层发生相互作用,引发放电现象并产生等离子体,同时伴随着宏观动力学特性的改变。通过观察和分析,我们探讨研究了可能的物理过程,包括强场击穿导致材料点放电、面闪络引起材料网状放电和镀层损伤、粒子吸收微波能量导致材料变形以及等离子体烧蚀引起材料损毁等。该研究为利用强电磁脉冲辐照主动移除危险空间碎片提供了重要的技术支持。

中国工程物理研究院远红外自由电子激光实验研究

中国工程物理研究院基于射频直线加速器技术的远红外自由电子激光(FIR-FEL)实验取得阶段性进展,于2005年3月24晚8时30分首次出光,并多次重复．中心波长115μm,谱宽1％．介绍了实验系统的主要组成部分和主要实验结果．

重复脉冲强流电子束源长时间稳定运行实验研究

简要阐述了脉冲变压器型重复脉冲强流电子束加速器CHP01的组成、主要特点及工作原理,利用设计的重复脉冲强流电子束源进行了长时间运行实验研究,实验结果达到在100Hz重复频率下连续运行5s,脉冲变压器能稳定输出电压1.15MV,强流束二极管输出电压超过800kV、束流7kA、脉冲宽度45ns,阴极电子发射密度超过10kA/cm2,且运行稳定可靠。利用该电子束源进行了X波段类周期慢波结构微波器件实验研究,在50Hz重复频率下连续运行5s,输出微波功率超过1GW,脉冲宽度大于25ns。

重复频率强流电子束二极管实验研究

采用静电场模拟对二极管结构及导引磁场位形分布进行了优化设计,利用设计的二极管在高压脉冲发生器上进行了重复频率运行实验研究,给出了相应测试波形,并对不同材料阴极、不同真空度情况下二极管的发射特性进行了比较。在二极管真空度满足一定要求(p<0.01Pa)条件下以在重复频率方式运行时,不论是石墨阴极还是金属阴极,输出电子束流都比较稳定。设计的二极管电子束电压超过500kV,电流约5kA,脉冲宽度40ns,重复频率100Hz。

强流电子束无箔二极管结构设计与特性研究

主要叙述高功率二极管的理论模型和结构设计 ,采用基于引导磁场和相对论近似情况下的空间电荷限制流模型 ,对磁浸没无箔二极管产生的空心相对论电子束进行了动态数值模拟 ,研究了二极管几何结构及引导磁场对二极管束流特性的影响。

毫米波/太赫兹扩展互作用速调管放大器的应用及研究进展

作者对毫米波与太赫兹频段的扩展互作用速调管放大器的应用需求和发展现状进行了详细的调研,介绍了该器件在空间探测、主动拒止、生物医学等研究领域的应用,说明了该器件在毫米波及太赫兹技术研究中的科学价值和良好的应用前景;同时,作者对该器件的发展趋势、主要技术难点和遇到的挑战进行了分析.

重复频率强流电子束的产生和传输实验研究

电子束真空二极管重复频率运行时,它将表现出与单次运行时不同的特点。在电子束产生过程中,屏蔽半径应尽可能地小,且击穿延时时间较短,故选择石墨作为阴极材料。实验结果表明:在重复频率运行时,当环型阴极环厚较薄时,阴极的发射电流密度较大,因此对阴极的加热效应也加强,等离子体的膨胀速度加快,从而使得二极管阻抗减小,最后几次输出的电子束的电流较大,而电压减小;当重复频率较高时,由于加热效应使得阴极等离子体膨胀速度加快,最后几个脉冲阴极发射能力增强,波形重复性变差;当引导磁场强度增大时,阴极等离子体受到较大的磁场力约束,横向膨胀速度减慢,从而使得电子发射面积减小,总发射电流减小,二极管的阻抗增大。最后取引导磁场为1. 5T,阴极环厚为1mm,得到重复频率100Hz、束压827kV、束流8. 22kA、脉冲波形之间重复性很好的均匀电子束输出。

强流多注电子束高效率引入的模拟研究

强流相对论多注速调管相对于单注速调管具有导流系数低,输出功率高和效率高的优点,并且可以明显降低引导磁场强度,因此得到快速发展。但是其多注电子束引入漂移管效率低的问题,影响了多注速调管的整管效率,限制了其稳定高效运行和应用推广。论文采用粒子仿真软件CHIPIC对多注速调管二极管爆炸发射过程进行仿真研究,寻找影响多注速调管引入效率的主要因素,并对阴极结构进行了优化,设计出三种两段式新型多注阴极结构并进行冷阴极爆炸发射模拟研究。研究结果表明:给定参数下,常规结构由于底座边缘的不必要的环形电子束发射,只能达到82%的引入效率,而三种新型阴极结构通过抑制不必要电子发射,引入效率都可以提高至95%以上,最高达到99%。

0.22THz折叠波导行波管电子光学系统设计与实验研究

设计了一套0.22THz折叠波导行波管电子光学系统,详细介绍了电子枪和周期永磁聚焦系统的设计过程,在电子枪电子束束腰与磁系统不匹配情况下,对磁场过渡区进行了优化设计,以此为基础利用磁场仿真软件对磁场进行模拟和优化,并把磁场位形代入电磁仿真软件进行电子束传输仿真,优化后的电子光学系统发射束流10mA,阴极电压15kV,束流通过率96%。通过实验验证,流通管束流通过率93%,高频样管束流通过率94%,与设计相符。高频样管实现连续波运行,功率大于0.4 W,3dB带宽大于12GHz。

低反轰多腔热阴极微波电子枪物理设计

为了开展基于自由电子激光的紧凑型太赫兹源技术研究,获得高品质(强流、低能散、低发射度)电子束,提出了一个低反轰双路微波馈入多腔热阴极微波电子枪的设计方案。用两路独立微波馈入激励微波电子枪,一路由首腔馈入激励首腔和实现阴极表面建场引出电子,另一路由后续腔馈入并通过腔间耦合激励各腔。两路微波互不耦合,通过移相器实现首腔和第2腔之间的相移连续可调。理论模拟结果表明:在一个射频周期内,热阴极微波电子枪的电子反轰功率约8 kW,平均反轰功率仅为1.2 W(重复频率25 Hz和脉宽6μs)。

S波段1＋腔热阴极微波电子枪研究

叙述了１＋腔热阴极微波电子枪设计、制造与调试的情况。该枪已于１９９２年１２月调试出束，经过一年多的调试运行，测量了电子束的发射度和能谱，得到了满意的结果。当输入功率约１．１ＭＷ时，输出电子束最大能量１ＭｅＶ，平均电子能量０．６ＭｅＶ，宏脉冲电流１Ａ，宏脉冲宽度约２μａ，重复频率５０Ｈｚ，微波工作频率２９９７．７５ＭＨｚ，束流归一化发射度ε_ｎ≈５πｍｍ·ｍｒａｄ。

THz自由电子激光波荡器工程设计

根据波荡器物理参数的要求,主要设计了磁块与磁极的尺寸公差、装配方式、永磁性能指标及永磁测量系统。束流方向上磁块与磁极尺寸公差分别为0.05mm和0.02mm,磁块与磁极独立装调,利用亥姆霍兹线圈和磁场积分法测量磁块性能。最后设计了机械与控制系统。其中,横梁与支架形变分别为1.5μm和7.5μm。间隙调节范围18～32mm,调节精度和锥度分别为0.01mm和0.015mm。